第02章 材料的力学性能

1、第2章 混凝土结构材料的物理力学性能1混凝土结构主要用钢筋和混凝土材料制作混凝土结构主要用钢筋和混凝土材料制作而成。为了合理地进行混凝土结构设计，而成。为了合理地进行混凝土结构设计，需要需要深入地了解混凝土和钢筋的受力性能。深入地了解混凝土和钢筋的受力性能。对混凝对混凝土和钢筋力学性能、相互作用和共同工作的了土和钢筋力学性能、相互作用和共同工作的了解，是掌握混凝土结构构件性能并对其进行分解，是掌握混凝土结构构件性能并对其进行分析与设计的基础。析与设计的基础。 第2章 混凝土结构材料的物理力学性能22.1 2.1 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例

2、组成，经凝混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝结和硬化形成的，属于复合材料。结和硬化形成的，属于复合材料。混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的第2章 混凝土结构材料的物理力学性能3 混凝土结构中，混凝土结构中，主要是利用它的主要是利用它的抗压强度抗压强度。因此抗压强度。因此抗压强度是混凝土是混凝土力学性能力学性能中最主要和最基本的指标。中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用混凝土的强度等级是用抗压强度抗压强度来划分的。来划分的。2.1.1 2.1.1 单向受力状态下混凝土的强度单向受力状态下混凝土的强度1）立

3、方体抗压强度）立方体抗压强度：立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值：边长为150mm的混凝土立方体标准试件，在标准条件下（203，湿度90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.150.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度，用符号C表示。C30: fcu,k=30N/mm2混凝土强度等级：混凝土强度等级：第2章 混凝土结构材料的物理力学性能4 混凝土结构中，混凝土结构中，主要是利用它的主要是利用它的抗压强度抗压强度。因此抗压强度。因此抗压强度是混凝土是混凝土力学性能力学性能中最主要和最基本的指标。中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用混凝土的强度等级

4、是用抗压强度抗压强度来划分的。来划分的。混凝土强度等级：混凝土强度等级：第2章 混凝土结构材料的物理力学性能5第2章 混凝土结构材料的物理力学性能6第2章 混凝土结构材料的物理力学性能7混凝土立方体抗压强度fcu第2章 混凝土结构材料的物理力学性能8第2章 混凝土结构材料的物理力学性能92）轴心抗压强度）轴心抗压强度 由于实际结构和构件往往不是立方体，而是由于实际结构和构件往往不是立方体，而是棱柱体棱柱体，所以用，所以用棱柱体试件比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。棱柱体试件比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。 按标准方法制作的按标准方法制作的150mm150mm 300m

5、m的棱柱体试的棱柱体试件，在温度为件，在温度为20土土3和相对湿度为和相对湿度为90以上的条件下养护以上的条件下养护28d,用标准试验方法测得的具有用标准试验方法测得的具有95保证率的抗压强度。对于同一混保证率的抗压强度。对于同一混凝土，凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。 考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，与试件强度之间存在差异，规范规范基于安全取偏低值，规定轴基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为：心抗压强度标准值和立方体抗压

6、强度标准值的换算关系为：kcuckfkkf,2188. 0第2章 混凝土结构材料的物理力学性能10式中： k为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。k2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。 kcuckfkkf,2188. 0fcu,k 立方体强度标准值即为混凝土强度等级。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能11混凝土轴心抗压强度fc第2章 混凝土结构材料的物理力学性能12混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度fckf

7、cu,k ? 棱柱体试件是在与立方体试件相同的条件下制作的，试件承棱柱体试件是在与立方体试件相同的条件下制作的，试件承压面压面不涂润滑剂不涂润滑剂且高度比立方体试件高，因而受压时试件且高度比立方体试件高，因而受压时试件中部横中部横向变形不受端部摩擦力的约束向变形不受端部摩擦力的约束，代表了混凝土处于单向全截面均，代表了混凝土处于单向全截面均匀受压的应力状态。试验量测到匀受压的应力状态。试验量测到fck值比值比fcu,k值小，并且棱柱体试值小，并且棱柱体试件高宽比件高宽比(即即h/b)越大，它的强度越小。越大，它的强度越小。承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于第2章 混凝土结构材料的物理力

8、学性能13第2章 混凝土结构材料的物理力学性能14 混凝土结构设计规范规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：0.450.55,20.88 0.3951 1.645tkcu kff混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系第2章 混凝土结构材料的物理力学性能15 混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验对中比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。劈拉试验FaF拉压压22aFfsp第2章 混凝土结构材料的物理力学性能16混凝土抗拉强度ft第2章 混凝土结构材料的物理力学性能17第2章 混凝土结构材料的物理力学

9、性能182.1.2 复杂应力下混凝土的受力性能复杂应力下混凝土的受力性能双向应力状态双向应力状态实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于于双向双向或或三向三向受力状态。受力状态。双向受压强度大于单向受压双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为两个压应力之比为0.3 0.6之间，约之间，约(1.251.60 )fc。双。双轴受压状态下混凝土的应力轴受压状态下混凝土的应力-应变关系与单轴受压曲线相应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。受压

10、时的峰值应变。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能19 构件受剪或受扭时常遇到剪应力构件受剪或受扭时常遇到剪应力t t 和正应力和正应力s s 共同作用共同作用下的复合受力情况。下的复合受力情况。混凝土的抗剪强度：随混凝土的抗剪强度：随拉拉应力增大而减小应力增大而减小 随随压压应力增大而增大应力增大而增大当压应力在当压应力在0.60.6fc左右时，抗剪强度达到最大，左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。力的增大而减小。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能20三轴应力状态三轴应力状态三

11、轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。采用圆柱体在等侧压条件进行。s1=fccs1=fccs2= s3= fLfL-侧向约束压侧向约束压应力（加液压）应力（加液压）圆柱体试验有侧向约有侧向约束时的抗束时的抗压强度压强度无侧向约无侧向约束时圆柱束时圆柱体的单轴体的单轴抗压强度抗压强度Lcccfff6 . 5+第2章 混凝土结构材料的物理力学性能21受力变形、体积变形受力变形、体积变形1 1、单调

12、加载下、单调加载下 单轴受压应力单轴受压应力 应变关系应变关系 混凝土单轴受力时的应力混凝土单轴受力时的应力-应变关系应变关系反映了混凝土受力全过程反映了混凝土受力全过程的重要力学特征的重要力学特征,是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。 混凝土单轴受压应力混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。定。 在普通试验机上采用在普通试验机上采用等应力速度等应力速度加载，达到轴心抗压强度加载，达到轴心抗

13、压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的应变曲线的上升段上升段。2.1.3 混凝土的变形（本构关系）混凝土的变形（本构关系）第2章 混凝土结构材料的物理力学性能22s(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提高加载速度减慢单轴受压时的应力-应变关系作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段 采用采用等应变速度等应变速度加载，或在试件加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，旁附

14、设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力测得应力- -应变曲线的应变曲线的下降段下降段。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能23第2章 混凝土结构材料的物理力学性能24第2章 混凝土结构材料的物理力学性能25第2章 混凝土结构材料的物理力学性能26第2章 混凝土结构材料的物理力学性能27第2章 混凝土结构材料的物理力学性能28第2章 混凝土结构材料的物理力学性能29第2章 混凝土结构材料的物理力学性能30第2章 混凝土结构材料的物理力学性能31第2章 混凝土结构材料的物理力学性能32第2章 混凝土结构材料的物理力学性能33第2章 混凝

15、土结构材料的物理力学性能34规范规范应力应力-应变关系应变关系上升段：)1 (1 0ncccfs0水平段：ccfsu055010)50(0033. 010)50(5 . 0002. 0)50(6012+cuucucufffn00.0010.0020.0030.00410203040506070C80C60C40C20s规范混凝土应力 - 应变曲线参数fcuC50C60C70C80n21.831.671.5 00.0020.002050.00210.00215 u0.00330.00320.00310.003第2章 混凝土结构材料的物理力学性能35第2章 混凝土结构材料的物理力学性能36第2章

16、混凝土结构材料的物理力学性能37第2章 混凝土结构材料的物理力学性能38第2章 混凝土结构材料的物理力学性能39第2章 混凝土结构材料的物理力学性能40第2章 混凝土结构材料的物理力学性能41第2章 混凝土结构材料的物理力学性能42第2章 混凝土结构材料的物理力学性能43第2章 混凝土结构材料的物理力学性能44第2章 混凝土结构材料的物理力学性能452 2、混凝土的徐变、混凝土的徐变 混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。现象称为徐变。 徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大

17、影响。由于混由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。 混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能46 在应力（在应力（0.50.5f fc c）作用瞬间，首先产生瞬时）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变弹性应变 elel（= = s si i/ /E Ec c( (t t0 0) )，t t0 0加荷时的龄期）。加荷时的龄期）。 随荷载作用时间的延续，变形不

18、断增长，前随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增个月徐变增长较快，长较快，6个月可达最终徐变的（个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐，以后增长逐渐缓慢，缓慢，23年后趋于稳定。年后趋于稳定。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能47第2章 混凝土结构材料的物理力学性能48影响因素影响因素内在因素内在因素: 混凝土的组成和配比。骨料混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)的刚度（弹的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。也越小。环境影响环境影响: 包括养护和使用条件。受荷前养护包括养护

19、和使用条件。受荷前养护(curing)的温湿度的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（徐变减少（2035）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。对湿度越小，徐变就越大。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能493、混凝土的收缩、混凝土的收缩 混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。的收缩。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。 当

20、这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能50第2章 混凝土结构材料的物理力学性能51第2章 混凝土结构材料的物理力学性能52影响因素影响因素 混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护尺寸、配合比、

21、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。条件等许多因素有关。（1）水泥的品种：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越）水泥的品种：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越大。大。（2）水泥的用量：）水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。（3）骨料的性质：）骨料的性质：骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。（4）养护条件：）养护条件：干燥失水环境，收缩大。干燥失水环境，收缩大。（5）混凝土制作方法：）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。混凝土越密实，收缩越小。（6）构件的体积与表面积比值：）构件的体积与表面

22、积比值：比值大时，收缩小。比值大时，收缩小。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能531 1、单调加载下、单调加载下 单轴受压应力单轴受压应力 应变关系应变关系 混凝土单轴受力时的应力混凝土单轴受力时的应力-应变关系应变关系反映了混凝土受力全过程反映了混凝土受力全过程的重要力学特征的重要力学特征,是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。 混凝土单轴受压应力混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。定。

23、 在普通试验机上采用在普通试验机上采用等应力速度等应力速度加载，达到轴心抗压强度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的应变曲线的上升段上升段。2.1.3 混凝土的疲劳混凝土的疲劳第2章 混凝土结构材料的物理力学性能542.2 钢钢 筋筋 Steel Reinforcement一、钢筋的品种一、钢筋的品种(Reinforcement types) 热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋热轧钢筋、中

24、高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋第2章 混凝土结构材料的物理力学性能55热轧钢筋热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing BarHPB235 （Hot Rolled Plain Steel Bar）热轧光面钢筋）热轧光面钢筋 Q235HRB335 （Hot Rolled Ribbed Steel Bar ） 热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋 20MnSiHRB400 （Hot Rolled Ribbed Steel Bar ）热轧带肋钢筋）热轧带肋钢筋 20MnSiV, 20MnSiNb, 20MnTiRRB400 （Remained heat treatment R

25、ibbed Steel Bar ） 余热处理钢筋余热处理钢筋 第2章 混凝土结构材料的物理力学性能56热轧钢筋热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing Bar主要成分为主要成分为铁铁元素，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素，力学性能主要与元素，力学性能主要与碳碳的含量有关：的含量有关：含碳量越高，则钢筋的强度越高，质地硬，但塑性变差。含碳量越高，则钢筋的强度越高，质地硬，但塑性变差。若含碳量低于若含碳量低于0.250.25，则称为低碳钢，钢筋混凝土结构中，则称为低碳钢，钢筋混凝土结构中多应用的是低碳钢。多应用的是低碳钢。20Mn

26、Si 20MnSi 前面的前面的2020指的是平均含碳量的万分数，其他化学指的是平均含碳量的万分数，其他化学元素的含量在元素的含量在1.5 1.5 以下。以下。热轧钢筋的成分热轧钢筋的成分第2章 混凝土结构材料的物理力学性能57热轧钢筋热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing Bar屈服强度屈服强度 fyk（标准值标准值=钢材废品限值，保证率钢材废品限值，保证率97.73%）HPB235级级： fyk = 235 N/mm2HRB335级级： fyk = 335 N/mm2HRB400级级、RRB400级级： fyk = 400 N/mm2第2章 混凝土结构材料的物理

27、力学性能58uHPB235级级(级级)钢筋钢筋多为光面钢筋（多为光面钢筋（Plain Bar），多作为现），多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋。浇楼板的受力钢筋和箍筋。uHRB335级级(级级)和和 HRB400级级(级级)钢筋钢筋强度较高，多作为强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用级级或或III级钢筋作箍筋的。为增强与混凝土的粘结（级钢筋作箍筋的。为增强与混凝土的粘结（Bond），外），外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋（形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋（Deformed Bar）。）。uRRB400是余热处理钢筋，是将

28、屈服强度相当于是余热处理钢筋，是将屈服强度相当于HRB335的钢的钢筋在轧制后穿水冷却，然后利用芯部的余热对钢筋表面的淬筋在轧制后穿水冷却，然后利用芯部的余热对钢筋表面的淬水硬壳回火处理而成的变形钢筋。其性能接近于水硬壳回火处理而成的变形钢筋。其性能接近于 HRB400级级钢筋，但不如钢筋，但不如 HRB400级钢筋稳定，焊接时钢筋回火强度有级钢筋稳定，焊接时钢筋回火强度有所降低，因此应用范围受到限制。所降低，因此应用范围受到限制。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能59 在公路桥涵工程中，热轧光面钢筋用在公路桥涵工程中，热轧光面钢筋用R235表示，余热表示，余热处理钢筋用处理钢筋用KL400

29、表示表示。钢筋的直径范围并不表示在此范围内任何直径的钢筋钢筋的直径范围并不表示在此范围内任何直径的钢筋钢厂都生产。钢厂都生产。 钢厂提供的钢筋直径为钢厂提供的钢筋直径为6 mm，6.5 mm，8 mm，8.2 mm，10 mm，12 mm，14 mm，16 mm，18 mm，20 mm，22 mm，25 mm，28 mm，32 mm，36 mm，40 mm和和 50 mm。其中，。其中，d=8.2 mm的钢筋仅适用于有纵肋的的钢筋仅适用于有纵肋的热处理钢筋。设计时，应在钢筋的直径范围和上述提供的热处理钢筋。设计时，应在钢筋的直径范围和上述提供的直径内选择钢筋。直径大于直径内选择钢筋。直径大于4

30、0 mm的钢筋主要用于大坝一的钢筋主要用于大坝一类大体积混凝土结构中。当采用直径大于类大体积混凝土结构中。当采用直径大于40 mm的钢筋时，的钢筋时，应有可靠的工程经验。应有可靠的工程经验。 第2章 混凝土结构材料的物理力学性能60钢筋表面形状的选择取决于钢钢筋表面形状的选择取决于钢筋的强度。为了使钢筋的强度能够筋的强度。为了使钢筋的强度能够充分地利用，强度越高的钢筋要求充分地利用，强度越高的钢筋要求与混凝土粘结的强度越大。提高粘与混凝土粘结的强度越大。提高粘结强度的办法是结强度的办法是将钢筋表面轧成有将钢筋表面轧成有规律的凸出花纹，称为变形钢筋。规律的凸出花纹，称为变形钢筋。HPB235钢筋

31、的强度低，表面做成钢筋的强度低，表面做成光面即可光面即可(图图a)。 其余级别的钢筋强度较高，表其余级别的钢筋强度较高，表面均应做成带肋形式。变形钢筋的面均应做成带肋形式。变形钢筋的表面形状，我国以往长期采用螺旋表面形状，我国以往长期采用螺旋纹和人字纹两种纹和人字纹两种(图图b，c)，表面花，表面花纹由两条纵助和螺旋形横助或人字纹由两条纵助和螺旋形横助或人字形横肋组成。形横肋组成。钢筋的形式钢筋的形式第2章 混凝土结构材料的物理力学性能61 鉴于这种形式的横肋较密，消耗鉴于这种形式的横肋较密，消耗于肋纹的钢材较多，纵肋和横肋相交，于肋纹的钢材较多，纵肋和横肋相交，容易造成应力集中对钢筋的动力性

32、能容易造成应力集中对钢筋的动力性能不利，不利，故近几年来我国已将变形钢筋故近几年来我国已将变形钢筋的肋纹改为月牙纹的肋纹改为月牙纹(图图d)。月牙纹钢。月牙纹钢筋的特点是横肋呈月牙形，与纵肋不筋的特点是横肋呈月牙形，与纵肋不相交，且横肋的间距比老式变形钢筋相交，且横肋的间距比老式变形钢筋大，故可克服老式钢筋的缺点，而粘大，故可克服老式钢筋的缺点，而粘结强度降低不多。结强度降低不多。钢筋的形式钢筋的形式第2章 混凝土结构材料的物理力学性能62钢丝钢丝 Wire：中强钢丝的强度为中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞，高强钢丝、钢绞线线(Strand or Tendon)的为的为 1

33、470 1860MPa；延伸率延伸率 10=6%， 100=3.54%；钢丝的直径；钢丝的直径39mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.515.2 mm.中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能63热处理钢筋热处理钢筋 Heat treatment ： 在预应力混凝土结构中，除了采用中、高强钢丝外，还采在预应力混凝土结构中，除了采用中、高强钢丝外，还采用用热处理钢筋。热处理钢筋。 热处理钢筋是将强度很高的热

34、轧钢筋经过加热、淬火和回热处理钢筋是将强度很高的热轧钢筋经过加热、淬火和回火等调质工艺处理的热轧钢筋。其抗拉强度为火等调质工艺处理的热轧钢筋。其抗拉强度为1470MPa，伸长，伸长率率106，无明显的屈服点和屈服台阶。，无明显的屈服点和屈服台阶。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能64冷加工钢筋冷加工钢筋 Cold working rebar：是由热轧钢筋和盘条经是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拉、冷拔、冷轧、冷扭冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。但经冷加工后，钢筋的延伸率

35、降低。近年来，近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。冷拉冷拉：在常温下用：在常温下用机械机械方法方法将有明显流幅的钢筋拉到将有明显流幅的钢筋拉到超超过过屈服强度的某一应力值，屈服强度的某一应力值，然后然后卸载至零卸载至零。经过停放或。经过停放或加热后进一步提高了屈服强加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台阶，这种度并恢复了屈服台阶，这种现象称为冷拉现象称为冷拉时效硬化时效硬化。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能65冷加工钢筋冷加工钢筋 Cold working rebar：是由热轧钢筋和盘条经是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拉、冷拔、冷轧、

36、冷扭冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。冷拔冷拔：将：将HPB235级热轧钢筋级热轧钢筋强行强行拔过小于其直径的硬质合金拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具拔丝模具。经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压。经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压强度均强度均大大提高，大大提高，但但塑性塑性降低。降低。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能66钢筋拉伸试验钢筋拉伸试验

37、第2章 混凝土结构材料的物理力学性能67钢筋拉伸试验钢筋拉伸试验第2章 混凝土结构材料的物理力学性能68钢筋拉伸试验钢筋拉伸试验第2章 混凝土结构材料的物理力学性能69钢筋拉伸试验钢筋拉伸试验第2章 混凝土结构材料的物理力学性能70s s 二、钢筋的应力二、钢筋的应力-应变关系应变关系 Stress-Strain Relation 有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋 Rebar with yield pointa为比例极限proportional limit s s =Eseaa为弹性极限elastic limitade为强化段strain hardening stagebb为屈服上限upp

38、er yield strengthc为屈服下限，即屈服强度 fylower yield strengthcdcd为屈服台阶yield plateauefue为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strengthfyf第2章 混凝土结构材料的物理力学性能71屈服强度屈服强度yield strength：u是钢筋强度的设计依据是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后产生很大的塑性因为钢筋屈服后产生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形变形，且卸载时这部分变形不可恢复不可恢复，这会使钢筋混凝土构，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。u屈服上

39、限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。为屈服强度。几个指标几个指标(Index)：第2章 混凝土结构材料的物理力学性能72延伸率延伸率：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。延：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。0010or 5lll 第2章 混凝土结构材料的物理力学性能73冷弯性能：冷弯性能：弯心弯心直径直径越小，弯过的越小，弯过的角度角度越大，冷弯性能越好，钢筋的越大，冷弯性能越好，钢筋的塑性性能塑性性能越好。越好。第

40、2章 混凝土结构材料的物理力学性能74屈强比：屈强比：反映钢筋的强度储备，反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。均匀延伸率均匀延伸率 gt：对应最大应力对应最大应力时应变，包括了残余应变和弹性时应变，包括了残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能应变，反映了钢筋真实的变形能力力(2.5%)s残余变形r弹性变形e)(0sboEllls+第2章 混凝土结构材料的物理力学性能75有明显屈服点钢筋的应力-应变关系一般可采用双线性的理想弹塑性关系 Bilinear elasto-plastic relationyyysfEss fy y1Es钢筋的弹性模量 (N/mm2)种 类EsHPB235

41、级钢筋2.1105HRB335 级钢筋、 HRB400级钢筋、 RRB400 级钢筋、热处理钢筋2.0105消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝2.05 105钢绞线1.95 105第2章 混凝土结构材料的物理力学性能76无明显屈服点的钢筋无明显屈服点的钢筋 Rebar without yield pointa0.2%s0.2 fua点：比例极限，约为点：比例极限，约为0.65fua点前：应力点前：应力-应变关系为线弹性应变关系为线弹性a点后：应力点后：应力-应变关系为非线性，有应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点一定塑性变形，且没有明显的屈服点强度设计指标强度设计指标条件屈服点

42、条件屈服点(Equivalent yield point)残余应变为残余应变为0.2%所对应的应力所对应的应力规范规范取取s s0.2 =0.85 fu第2章 混凝土结构材料的物理力学性能77不同钢筋应力应变关系的比较不同钢筋应力应变关系的比较第2章 混凝土结构材料的物理力学性能78三、钢筋的强度标准值三、钢筋的强度标准值( Characteristic or Standard Strength) 按冶金钢材质量控制标准，钢筋的强度标准值是取其出厂时按冶金钢材质量控制标准，钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值，其数值相当于的废品限值，其数值相当于fy,m-3s s，具有，具有97.73%的保

43、证率，满足的保证率，满足建筑结构设计统一标准建筑结构设计统一标准材料强度标准值保证率材料强度标准值保证率95%的要求。的要求。普通钢筋强度标准值 （N/mm2）种 类符号fykHPB235(Q235)235HRB335(20MnSi)335热轧钢筋HRB400(20MnSiV 、20MnSiNb、20MnTi)RRB400(20MnSi)400第2章 混凝土结构材料的物理力学性能791.强度高强度高采用较高强度的钢筋可以采用较高强度的钢筋可以节省钢材节省钢材，获得较好的经济效益。，获得较好的经济效益。2.塑性好塑性好要求钢筋在断裂前有足够的变形，能给人以要求钢筋在断裂前有足够的变形，能给人以破

44、坏的预兆破坏的预兆。因。因此，应保证钢筋的伸长率和冷弯性能合格。此，应保证钢筋的伸长率和冷弯性能合格。3.可焊性好可焊性好在很多情况下，钢筋的接长和钢筋之间的连接需通过焊接。在很多情况下，钢筋的接长和钢筋之间的连接需通过焊接。钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证接头性能良好。接头性能良好。4.与混凝土的粘结锚固性能好与混凝土的粘结锚固性能好为了使钢筋的强度能够充分被利用和保证钢筋与混凝土共同为了使钢筋的强度能够充分被利用和保证钢筋与混凝土共同工作，二者之间应有工作，二者之间应有足够的粘结力足够的粘结力。在寒冷地区，对钢筋的低温性能也有一定的要求。在寒冷地

45、区，对钢筋的低温性能也有一定的要求。 混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土结构对钢筋性能的要求 第2章 混凝土结构材料的物理力学性能80 1. 钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋力钢筋宜优先采用宜优先采用HRB400级和级和HRB335级钢筋级钢筋，以节省钢筋用，以节省钢筋用量，改善我国建筑结构的质量。除此之外，也可以采用量，改善我国建筑结构的质量。除此之外，也可以采用HPB235级和级和RRB400级热轧钢筋以及强度级别较低的冷拔、冷轧和冷轧级热轧钢筋以及强度级别较低的冷拔、冷轧和冷轧扭钢筋。扭钢筋。 2. 预应力钢筋宜采用

46、预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、中高强钢丝，也可以采预应力钢绞线、中高强钢丝，也可以采用热处理钢筋。用热处理钢筋。除此之外，还可以采用冷拉钢筋和强度级别较高除此之外，还可以采用冷拉钢筋和强度级别较高的冷拔低碳钢丝和冷轧扭钢筋。公路桥涵工程中还可以选用精制的冷拔低碳钢丝和冷轧扭钢筋。公路桥涵工程中还可以选用精制螺纹钢筋。螺纹钢筋。钢筋的选用原则钢筋的选用原则第2章 混凝土结构材料的物理力学性能81 在我国经济困难、物资短缺的年代，冷加工钢筋为我国的基在我国经济困难、物资短缺的年代，冷加工钢筋为我国的基本建设事业做出过极大的贡献。但是，本建设事业做出过极大的贡献。但是，冷加工钢筋在强度提高的冷加工钢

47、筋在强度提高的同时，塑性大幅度地降低，导致结构构件的塑性减小，脆性加大。同时，塑性大幅度地降低，导致结构构件的塑性减小，脆性加大。当前，我国的钢产量已位于世界之首，质优、价廉的钢材不断出当前，我国的钢产量已位于世界之首，质优、价廉的钢材不断出现，为了提高结构构件的质量，应尽量选用强度较高、塑性较好、现，为了提高结构构件的质量，应尽量选用强度较高、塑性较好、价格较低的钢材。价格较低的钢材。钢筋的选用原则钢筋的选用原则第2章 混凝土结构材料的物理力学性能822.3 钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结力实质是接触面上的钢筋与混凝土的粘结力实质是接触面上的剪应力剪应力，按其作用性质

48、可以，按其作用性质可以分为两大类：分为两大类：弯曲粘结应力弯曲粘结应力和和局部粘结应力局部粘结应力。弯曲粘结应力弯曲粘结应力弯曲粘结应力弯曲粘结应力的分布形式与弯距有关的分布形式与弯距有关第2章 混凝土结构材料的物理力学性能83局部粘结应力局部粘结应力局部粘结应力局部粘结应力的分布形式不均匀的分布形式不均匀第2章 混凝土结构材料的物理力学性能84粘结应力的拔出试验与粘结强度平均值粘结应力的拔出试验与粘结强度平均值dlNt钢筋锚固长度钢筋锚固长度 钢筋达到屈服强度而不发生粘结锚固破坏的最短长度。钢筋达到屈服强度而不发生粘结锚固破坏的最短长度。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能85粘结破坏的机理

49、粘结破坏的机理胶结力胶结力摩擦力摩擦力机械咬合力机械咬合力第2章 混凝土结构材料的物理力学性能86粘结力的主要影响因素粘结力的主要影响因素混凝土强度：混凝土强度：混凝土强度越高，钢筋与混凝土的粘结力也越高；混凝土强度越高，钢筋与混凝土的粘结力也越高；保护层厚度：保护层厚度：混凝土保护层较薄时，其粘结力降低，并在保护层最薄弱混凝土保护层较薄时，其粘结力降低，并在保护层最薄弱 位置容易出现劈裂裂缝，促使粘结力提早破坏；位置容易出现劈裂裂缝，促使粘结力提早破坏；钢筋表面形状：钢筋表面形状：带肋钢筋表面凹凸不平，与混凝土之间的机械咬合力较带肋钢筋表面凹凸不平，与混凝土之间的机械咬合力较 好，破坏时粘结

50、强度大；光面钢筋的粘结强度则较小，所好，破坏时粘结强度大；光面钢筋的粘结强度则较小，所 以要在钢筋端部做成弯钩，可以增加其拔出力；以要在钢筋端部做成弯钩，可以增加其拔出力；横向压应力：横向压应力：如支座处的反力作用在钢筋锚固端，增大了摩阻力，有利如支座处的反力作用在钢筋锚固端，增大了摩阻力，有利 于粘结锚固。于粘结锚固。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能87钢筋的锚固钢筋的锚固第2章 混凝土结构材料的物理力学性能88第2章 混凝土结构材料的物理力学性能89第2章 混凝土结构材料的物理力学性能90第2章 混凝土结构材料的物理力学性能91混凝土强度等级为混凝土强度等级为C30，即，即 为为30N

51、/mm2，它，它具有具有 的保证率。的保证率。混凝土在长期不变荷载作用下将产生混凝土在长期不变荷载作用下将产生 变形，变形，混凝土随水分的蒸发将产生混凝土随水分的蒸发将产生 变形。变形。钢筋的塑性变形性能通常用钢筋的塑性变形性能通常用 和和 两两个指标来衡量。个指标来衡量。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能92一般情况下，混凝土的强度等级提高时，延性一般情况下，混凝土的强度等级提高时，延性 。混凝土构件一个方向受拉，另一个方向受压时，强度混凝土构件一个方向受拉，另一个方向受压时，强度会会 。混凝土的线性徐变是指徐变变形与混凝土的线性徐变是指徐变变形与 成正比。成正比。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能93钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15。 （ ）混凝土结构在三向受压应力状态下，抗压强度提高较多，混凝土结构在三向受压应力状态下，抗压强度提高较多，延性略有降低。延性略有降低。 （ ）单个受压的混凝土试件，在达到极限压应变时应力同时单个受压的混凝土试件，在达到极限压应变时应力同时达到最大。达到最大。